TNU Journal of Science and Technology
230(02): 284 - 294
http://jst.tnu.edu.vn 284 Email: jst@tnu.edu.vn
DAY-AHEAD UNIT COMMITMENT FOR COMBINED-CYCLE GAS TURBINE
AND COAL-FIRED THERMAL INTEGRATED POWER SYSTEMS
Pham Nang Van1*, Le Toan2, Do Minh Hong1, Dao Long Vu1
1School of Electrical and Electronic Engineering - Hanoi University of Science and Technology
2National Power System and Market Operator Company (NSMO)
ARTICLE INFO
ABSTRACT
Received:
15/01/2025
The increasing penetration of renewables requires increased adaptability.
Consequently, combined-cycle gas turbines are expected to play a crucial
role in the energy transition by occupying a larger share of power generation.
Short-term scheduling of combined-cycle power units is a complex
optimization problem, as these units may operate in various configurations
depending on the number and status of the combustion and steam turbines.
This paper presents a mixed-integer linear programming model to deal with
the unit commitment problem for power systems integrated with coal-fired
and combined-cycle power plants. The proposed optimization model aims to
minimize the total production costs of the power system while including
constraints for coal-fired thermal units, combined-cycle gas turbine units
with various operating modes, and the power grid. The suggested
optimization framework is evaluated on the modified IEEE 8-bus system
using the commercial solver CPLEX with the GAMS programming
language. The calculation results with different scenarios show that the total
operational cost and the locational marginal price of the combined-cycle
plant-integrated power systems are lower in comparison with systems with
only coal-fired plants.
Revised:
28/02/2025
Published:
28/02/2025
KEYWORDS
Combined-cycle gas turbine
Unit commitment
Mixed-integer linear
programming
Locational marginal price
Congestion
LẬP KẾ HOẠCH VẬN HÀNH NGÀY TỚI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN HỖN HỢP
NHIỆT ĐIỆN THAN VÀ TUABIN KHÍ CHU TRÌNH HỖN HỢP
Phạm Năng Văn1*, Lê Toản2, Đỗ Minh Hồng1, Đào Long Vũ1
1Trường Điện ‒ Điện tử - Đại học Bách khoa Hà Nội
2Công ty Vận hành hệ thống điện và thị trường điện Quốc gia (NSMO)
TÓM TẮT
Ngày nhận bài:
15/01/2025
Mức độ tham gia đáng kể của nguồn năng lượng tái tạo đòi hỏi độ linh hoạt
ngày càng cao của hệ thống điện. Do đó, các nhà máy tuabin khí chu trình
hỗn hợp sẽ dần chiếm tỷ trọng lớn trong cơ cấu nguồn điện và đóng một vai
trò quan trọng trong mục tiêu chuyển dịch năng lượng. Lập lịch vận hành cho
các tổ máy tuabin khí chu trình hỗn hợp với nhiều chế độ vận hành trở thành
một bài toán tối ưu hóa phức tạp do các tổ máy này có nhiều cấu hình dựa
trên số lượng tuabin khí và tuabin hơi. Bài báo này trình bày mô hình quy
hoạch tuyến tính với số nguyên của bài toán lựa chọn tổ máy vận hành trong
hệ thống hỗn hợp nhiệt điện than và tuabin khí chu trình hỗn hợp. Hàm mục
tiêu của mô hình đề xuất là cực tiểu tổng chi phí sản xuất của hệ thống, đồng
thời thỏa mãn các ràng buộc của tổ máy nhiệt điện than, tuabin khí chu trình
hỗn hợp với nhiều chế độ vận hành và lưới điện. Mô hình tối ưu đề xuất được
đánh giá trên lưới điện 8 nút IEEE cải biên sử dụng bộ giải thương mại
CPLEX với ngôn ngữ lập trình GAMS. Kết quả tính toán cho thấy rằng tổng
chi phí sản xuất và giá điện của hệ thống có tổ máy tuabin khí chu trình hỗn
hợp nhỏ hơn so với hệ thống chỉ có nhà máy nhiệt điện than.
Ngày hoàn thiện:
28/02/2025
Ngày đăng:
28/02/2025
DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.11897
* Corresponding author. Email: van.phamnang@hust.edu.vn
TNU Journal of Science and Technology
230(02): 284 - 294
http://jst.tnu.edu.vn 285 Email: jst@tnu.edu.vn
1. Giới thiệu
Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, việc đảm bảo nguồn cung cấp điện ổn định và
bền vững đang trở thành thách thức lớn cho nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam. Hiện tại, hệ thống
điện quốc gia vẫn phụ thuộc chủ yếu vào các nhà máy nhiệt điện than, một nguồn năng lượng có chi
phí thấp nhưng gây ra lượng khí thải nhà kính đáng kể, dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm
môi trường và biến đổi khí hậu. Trước thực trạng này, việc chuyển đổi sang các giải pháp năng lượng
sạch đang dần trở thành xu hướng tất yếu. Một trong những hướng đi tiềm năng là khuyến khích sự
tham gia của các nhà máy tuabin khí chu trình hỗn hợp (CCGT) vào hệ thống điện [1]. Các nhà máy
này không chỉ giúp làm giảm lượng khí thải, mà còn có hiệu suất và độ linh hoạt cao hơn so với nhà
máy nhiệt điện than truyền thống [2]. Với sự tham gia của CCGT vào hệ thống điện, mô hình lựa
chọn tổ máy vận hành (UC) trở nên phức tạp hơn do CCGT có nhiều chế độ vận hành tùy thuộc vào
cấu hình của CCGT [3]. Một số nghiên cứu về bài toán UC được trình bày như dưới đây.
Nghiên cứu [4] trình bày phương pháp thứ tự ưu tiên (PL) để giải bài toán UC. Tuy nhiên phương
pháp này kém linh hoạt và không xét nhiều ràng buộc. Bài báo [5] trình bày mô hình lập kế hoạch vận
hành ngắn hạn trong hệ thống chỉ có tổ máy nhiệt điện than. Tuy nhiên, mô hình UC trong bài báo [5]
không xét lưới điện. Nghiên cứu [6] trình bày mô hình quy hoạch tuyến tính với số nguyên (MILP) để
giải bài toán UC trong hệ thống chỉ có tổ máy nhiệt điện than, đồng thời có xét ràng lưới điện. Bài báo
[7] đề xuất mô hình quy hoạch hình nón bậc hai nguyên thực hỗn hợp (MISOCP) để giải bài toán UC
chỉ có nhiệt điện than. Mô hình này sử dụng nới lỏng hình nón để biến đổi hệ phương trình trào lưu
công suất xoay chiều về dạng hình nón bậc hai. Bên cạnh hệ thống chỉ có nhiệt điện than, nghiên cứu
[8] đề xuất mô hình quy hoạch phi tuyến nguyên thực hỗn hợp (MINLP) cho bài toán UC với các nhà
máy thủy điện nằm trong cùng một lưu vực sông. Tuy nhiên, nghiệm tìm được của mô hình trong [8]
không là nghiệm tối ưu toàn cục vì mô hình MINLP là mô hình phi tuyến. Trong khi đó, bài báo [9]
sử dụng mô hình tối ưu tuyến tính với số nguyên (MILP) để lập kế hoạch vận hành của các tổ máy
trong hệ thống hỗn hợp thủy điện và nhiệt điện than. Ngoài ra, do sự gia tăng tỉ lệ nguồn năng lượng
tái tạo trong cơ cấu nguồn, hệ thống điện phải có lượng dự trữ công suất lớn và tính linh hoạt cao. Do
đó, nghiên cứu [10] đề xuất mô hình tối ưu MILP có xét thủy điện tích năng (PHES) cho bài toán UC.
Nghiên cứu này đề xuất mô hình tối ưu MILP để xác định trạng thái vận hành của các tổ máy trong hệ
thống hỗn hợp thủy điện và nhiệt điện than có xét tính bất định của nguồn năng lượng gió. Đối với hệ
thống hỗn hợp nhiệt điện than và CCGT, mô hình MILP được sử dụng để giải bài toán UC [11], trong
đó CCGT được mô hình với các cấu trúc vận hành khác nhau. Tuy nhiên, nghiên cứu [11] không xét
ràng buộc lưới điện. Bài báo [12] đã kết hợp đồng thời mô hình từng thành phần và mô hình dựa trên
cấu trúc vận hành của CCGT. Tuy nhiên, mô hình của [12] chưa tích hợp các biến nhị phân để mô tả
quá trình chuyển trạng thái giữa các cấu hình.
Mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng mô hình tối ưu MILP để lập kế hoạch vận hành ngày tới
trong hệ thống hỗn hợp nhiệt điện than và CCGT, trong đó các tổ máy CCGT được mô hình hóa một
cách chính xác dựa trên cấu trúc vận hành giữa các tuabin khí và tuabin hơi. Nghiên cứu này có các
đóng góp chính bao gồm (1) Xây dựng mô hình toán học cho tổ máy CCGT với nhiều chế độ vận
hành; (2) Đánh giá mô hình tối ưu MILP đề xuất sử dụng hệ thống điện 8 nút IEEE; (3) So sánh các
kịch bản nhằm đánh giá ảnh hưởng của CCGT đến chi phí vận hành và giá điện của hệ thống (LMP).
Bài báo gồm 4 mục. Cụ thể, mục 1 giới thiệu tổng quan chung về nội dung nghiên cứu. Mục 2 xây
dựng mô hình MILP của bài toán UC cho hệ thống hỗn hợp nhiệt điện than và CCGT. Mục 3 đưa ra
các kết quả tính toán và thảo luận khi mô hình được áp dụng cho hệ thống điện 8 nút IEEE cải biên.
Cuối cùng, mục 4 trình bày những kết luận và các hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai.
2. Phương pháp nghiên cứu
2.1. Hàm mục tiêu
Với hệ thống hỗn hợp nhiệt điện than và CCGT, hàm mục tiêu của bài toán UC là tối thiểu
hóa tổng chi phí vận hành của nhà máy nhiệt điện than và CCGT. Nhà máy nhiệt điện than có chi
TNU Journal of Science and Technology
230(02): 284 - 294
http://jst.tnu.edu.vn 286 Email: jst@tnu.edu.vn
phí vận hành bao gồm chi phí cố định, chi phí khởi động, chi phí dừng và chi phí biến đổi. Bên
cạnh đó, chi phí vận hành CCGT bao gồm chi phí cố định, chi phí biến đổi và chi phí chuyển đổi
giữa các chế độ làm việc.
G CC CC
0 SU SD 0, T
G G , G G , G G , G G , CC CC , CC CC , CC ,
1
min
j
Tx x x x
i i t i i t i i t i i t j j t j j t j t
t i j x
c u c y c z c P c u c P c









(1)
Trong đó:
0
Gi
c
,
SU
Gi
c
và
SD
Gi
c
lần lượt là chi phí cố định, chi phí khởi động và chi phí dừng của tổ máy
nhiệt điện than i ($);
Gi
c
là chi phí biến đổi của tổ máy nhiệt điện than i ($/MWh);
G,it
u
,
G,it
y
và
G,it
z
là
các biến nhị phân, khi tổ máy nhiệt điện than i vận hành trong khoảng thời gian t thì
G, 1
it
u
và
G, 0
it
u
khi tổ máy nghỉ, khi tổ máy nhiệt điện than i khởi động ở đầu khoảng thời gian t thì
G, 1
it
y
và
G, 0
it
y
khi tổ máy không khởi động, khi tổ máy nhiệt điện than i dừng ở đầu khoảng thời gian t
thì
G, 1
it
z
và
G, 0
it
z
khi tổ máy không dừng;
G,it
P
là công suất phát của tổ máy nhiệt điện than i
trong khoảng thời gian t (MW);
0,
CC
xj
c
là chi phí cố định của tổ máy CCGT j khi làm việc tại chế độ x
($);
CC
xj
c
là chi phí biến đổi của tổ máy CCGT j khi làm việc tại chế độ x ($/MWh);
CC ,
xjt
u
là biến nhị
phân, khi tổ máy CCGT j làm việc tại chế độ x trong thời điểm t thì
CC , 1
xjt
u
và
CC , 0
xjt
u
khi tổ máy
không làm việc ở chế độ x;
CC ,
xjt
P
là công suất phát của tổ máy CCGT j làm việc ở chế độ x tại thời
điểm t (MW);
T
CC ,jt
c
là chi phí chuyển đổi chế độ làm việc của tổ máy CCGT j trong khoảng thời gian
t ($);
CCj
là tập các chế độ vận hành của nhà máy CCGT j;
G
và
CC
lần lượt là tập các tổ máy
nhiệt điện than và tổ máy CCGT; T là số khoảng thời gian (ở đây T = 24).
Chi phí chuyển đổi chế độ làm việc của tổ máy tuabin khí chu trình hỗn hợp:
T T, F,
CC , CC 1 CC , 1 CC , CC CC CC
2 ; ; , ; 1...
xy x y x
j t j j t j t j j
c C M u u j x y t T

(2)
Trong đó,
T,
CCxy
j
C
là chi phí chuyển đổi từ chế độ vận hành x sang y của CCGT j ($); M1 là hằng
số dương đủ lớn (ở đây, ta chọn
T,
1 CCxy
j
MC
);
F,
CC
xj
là tập các chế độ vận hành mà chế độ x có thể
chuyển sang của nhà máy CCGT j (bao gồm
xy
).
2.2. Các ràng buộc của tổ máy nhiệt điện than
Các ràng buộc của tổ máy nhiệt điện than như giới hạn công suất phát, giới hạn tăng/giảm
công suất phát, thời gian làm việc/nghỉ tối thiểu, mối liên hệ giữa các biến nhị phân được mô tả
tương tự như tài liệu tham khảo [13].
2.2.1. Giới hạn công suất phát
Công suất phát của các tổ máy nhiệt điện than phải thỏa mãn công suất phát tối thiểu và tối đa:
min max
G G , G , G G , G
; , 1...
i i t i t i i t
PiTP u P u t 
(3)
Trong đó,
max
Gi
P
và
min
Gi
P
lần lượt là công suất phát lớn nhất và nhỏ nhất của tổ máy i (MW).
2.2.2. Giới hạn tăng/giảm công suất phát
Từ khoảng thời gian này sang khoảng thời gian tiếp theo, các tổ máy nhiệt điện than không
thể tăng/giảm công suất một cách đột ngột.
U SU
G , G , 1 G G , 1 G G , G
; , 1...
i t i t i i t i i t
P P R u R y i t T

(4)
DS
G , 1 G , G G , G G , G
D; , 1...
i t i t i i t i i t
P P R u R z i t T
(5)
Trong đó,
U
Gi
R
,
SU
Gi
R
là giới hạn tăng công suất phát và giới hạn tăng công suất phát khi khởi động
của tổ máy i (MW/h);
D
Gi
R
,
DS
Gi
R
là giới hạn giảm công suất phát và giới hạn giảm công suất phát tối
thiểu của tổ máy i (MW/h).
TNU Journal of Science and Technology
230(02): 284 - 294
http://jst.tnu.edu.vn 287 Email: jst@tnu.edu.vn
2.2.3. Giới hạn thời gian làm việc/nghỉ tối thiểu
Một tổ máy nhiệt điện than không thể khởi động hoặc dừng một cách ngẫu nhiên. Tổ máy cần
thỏa mãn thời gian vận hành tối thiểu
U
G,it
T
và thời gian nghỉ tối thiểu
D
G,it
T
.
Ràng buộc thời gian vận hành tối thiểu được trình bày như sau:
G
G , G
11 0;
i
O
it
tui


(6)
U
G1UU
G , G G , G G G
; , 1... 1
i
tT
i p i i t i i
pt u T y i t O T T

(7)
U
G , G , G G
0; , 2...
T
i p i t i
pt u y i t T T T


(8)
UU
G G G ,0 G ,0
min ,
i i i i
O T T T u
(9)
Trong đó,
Gi
O
là số giờ còn mà tổ máy nhiệt điện than i phải hoạt động, xét tại thời điểm bắt
đầu chu kỳ lập kế hoạch mới (h);
G,ip
u
là trạng thái của tổ máy nhiệt điện than i tại giờ thứ p;
U
G ,0i
T
là số giờ đã làm việc của tổ máy i, xét tại thời điểm bắt đầu chu kỳ lập kế hoạch mới (h).
Đồng thời, ràng buộc thời gian nghỉ tối thiểu được trình bày như sau:
G
G , G
10;
i
F
it
tui
(10)
D
G1DD
G , G G , G G G
1 ; , 1... 1
i
tT
i p i i t i i
pt u T z i t F T T



(11)
D
G , G , G G
1 0; , 2...
T
i p i t i
pt u z i t T T T


(12)
DS
G G G ,0 G ,0
min , 1
i i i i
F T T T u
(13)
Trong đó,
Gi
F
là số giờ còn lại mà tổ máy nhiệt điện than i phải nghỉ (h) và
S
G ,0i
T
là số giờ tổ
máy nhiệt điện than i đã nghỉ, xét tại thời điểm bắt đầu chu kỳ lập kế hoạch mới (h).
2.2.4. Ràng buộc biến trạng thái
Các ràng buộc dưới đây đảm bảo rằng, các tổ máy khi đang vận hành chỉ có thể dừng, không
thể khởi động. Tương tự, các tổ máy khi đang nghỉ chỉ có thể khởi động, không thể dừng.
G , G , G , 1G G, ; , 1...
i t i t i tit z u u i Ty t
(14)
G , G , G
1; , 1...
i t i t
y z i t T
(15)
G , G , G , G
, , 0,1 ; , 1...
i t i t i t
u y z i t T
(16)
2.3. Các ràng buộc của tổ máy tuabin khí chu trình hỗn hợp
Chế độ 1
1CT + 0ST
Chế độ 0
0CT + 0ST Chế độ 2
2CT + 0ST
Chế độ 3
1CT + 1ST Chế độ 4
2CT + 1ST
Hình 1. Sơ đồ chuyển đổi chế độ làm việc của CCGT
Một nhà máy CCGT bao gồm các tuabin khí (CT) và tuabin hơi (ST). Mô hình hóa CCGT dựa
trên cấu trúc đại diện cho tất cả các kết hợp khả thi giữa tuabin khí và tuabin hơi. Quá trình thay
đổi giữa các chế độ vận hành tuân theo sơ đồ trạng thái đã được xác định trước [11]. Hình 1 biểu
diễn sơ đồ chuyển đổi chế độ vận hành của nhà máy CCGT có 2CT và 1ST. Chế độ “0” biểu thị
nhà máy CCGT đang nghỉ.
2.3.1. Ràng buộc biến trạng thái
Tại mỗi khoảng thời gian, nhà máy CCGT chỉ có thể vận hành ở một chế độ:
TNU Journal of Science and Technology
230(02): 284 - 294
http://jst.tnu.edu.vn 288 Email: jst@tnu.edu.vn
CC
CC , CC
1; , 1...
j
xjt
xu j t T
(17)
Ràng buộc chuyển đổi giữa các chế độ vận hành được mô tả như biểu thức (18).
F, F,
CC CC
CC , CC , 2 CC , 1 CC CC
1 1 ; , , 1...
xx
jj
y y x
j t j t j t j
yy
u u M u j x t T



(18)
Trong đó, M2 là hằng số dương đủ lớn (ở đây, ta chọn
22M
).
Ràng buộc (17) và (18) đảm bảo rằng chế độ vận hành x của nhà máy j tại mỗi thời điểm chỉ
có thể chuyển sang chế độ làm việc khả thi tại thời điểm tiếp theo. Như trong Hình 1, giả sử tại
trước thời điểm lập kế hoạch vận hành, nhà máy tuabin khí đang ở chế độ nghỉ (
0
CC ,0 1
j
u
). Hai
ràng buộc trên đảm bảo rằng tại thời điểm
1t
nhà máy chỉ có thể chuyển sang một trong ba chế
độ vận hành
1x
(
1
CC ,1 1
j
u
) hoặc
2x
(
2
CC ,1 1
j
u
) hoặc tiếp tục nghỉ (
0
CC ,1 1
j
u
).
Tính logic khởi động và dừng của mỗi chế độ vận hành được trình bày như sau:
CCC , CC , CC , CC , 1 CC , CC , , CCC , CC CC , CC
, 0 ;; 1; , ,,1 ,
x x x x x x
j t j t j t j t j t j t j
x x x t j t j t j
u u u j ty z y z y z x

(19)
Trong đó,
CC ,
xjt
y
bằng 1 khi chế độ vận hành x của nhà máy CCGT j khởi động ở đầu giờ t và
bằng 0 khi chế độ vận hành x không khởi động;
CC ,
xjt
z
bằng 1 khi chế độ vận hành x của nhà máy
CCGT j dừng ở đầu giờ t và bằng 0 khi chế độ vận hành x không dừng.
2.3.2. Giới hạn công suất phát
Mỗi chế độ vận hành x phải thoả mãn giới hạn công suất phát tối thiểu và tối đa:
,min ,max
CC CC , CC , CC CC , CCC C
, , 1..; .
x x x x x
j j t j t j j t j
j t TP u P P u x
(20)
Trong đó,
,min
CC
xj
P
và
,max
CC
xj
P
theo thứ tự là công suất phát tối thiểu và tối đa ứng với chế độ vận
hành x của tổ máy tuabin khí chu trình hỗn hợp j (MW).
2.3.3. Giới hạn thời gian làm việc/ nghỉ của mỗi chế độ vận hành
Tương tự như tổ máy nhiệt điện than, mỗi chế độ vận hành của tổ máy tuabin khí chu trình
hỗn hợp cũng phải thoả mãn thời gian làm việc tối thiểu
U,
CCx
j
T
và thời gian nghỉ tối thiểu
D,
CC .
x
j
T
Ràng buộc thời gian làm việc tối thiểu của mỗi chế độ vận hành được trình bày như sau:
CC
1CC , CC CC
1 0; ,
j
x
j t j
Ox
tj xu


(21)
CC
U,
C
1U
CC , CC C C
,U
,C ,
C CC C CC
; , , 1... 1
x
j
t
j
Tx x xx x
pj p j j t
tjj
u yT j t Ox TT


(22)
CC , CC , CCC ,
CC C
U
0; , , 2...
Tx
j p j t j j
xx
pt u j t T T Tyx

(23)
,CC CC CC 0 CC ,
, U, 0
U
min ,
x x x x
j j j j
O T T T u
(24)
Trong đó,
CC
xj
O
là số giờ còn lại mà chế độ x của nhà máy tuabin khí chu trình hỗn hợp j phải
hoạt động, xét tại thời điểm bắt đầu chu kỳ lập kế hoạch mới (h);
CC ,
xjp
u
là trạng thái của chế độ vận
hành x của nhà máy tuabin khí chu trình hỗn hợp j tại giờ p;
CC ,0
xj
u
là trạng thái của chế độ vận hành
x của nhà máy tuabin khí chu trình hỗn hợp j và
,CC
U, 0
x
j
T
là số giờ chế độ vận hành x của nhà máy
tuabin khí chu trình hỗn hợp j đã hoạt động, xét tại thời điểm bắt đầu chu kỳ lập kế hoạch mới (h).
Tương tự, ràng buộc thời gian nghỉ tối thiểu có thể được trình bày như sau: